第一章节

本章节的重点是互联网边缘部分和核心部分的作用，其中包含分组交换的概念。
计算机网络的性能指标
计算机网络的分层次体系的结构，其中包含协议和服务的概念。

第1章概述

1.1 计算机网络在信息时代的作用

三类网络，电信网络（电话、电报、传真等服务），有线电视网（向用户传递各种电视节目），计算机网络（在计算机之间传递各种文件）

互联网之所以能够向用户提供许多服务，就是因为互联网具有两个最重要的基本特点，即连通性和共享。

• 连通性就是互联网使上网用户之间不管相距离多远都可以便捷非常经济地交换各种信息，好像这些用户终端都彼此相互联通一样。这与使用传统电信网络有着很大地区别。传统地电信网络向用户提供地最重要地服务就是人与人之间的电话通信，因此电信网也具有连通型这个特点，但使用用电信网的用户需要支付一笔高昂的费用，特别是长距离的越洋通信。
• 共享性就是指资源共享（信息共享、软件共享、硬件共享）。

1.2 互联网概述

1.2.1 网络的网络

计算机网络是由若干节点和连接这些节点的链路组成，网络中的节点可以是集线器、计算机、交换机、或者路由器等。

网络将许多计算机连接在一起，而互连网则把许多网络通过路由器连接在一起。与网络连接的计算机通常称为主机

1.2.2 互联网基础结构发展的三个阶段

• 第一阶段是从单个网络ARPANET向互联网发展的过程。

internet（互联网）是一个通用名词，它泛指由多个计算机网络互连而成的计算机网络。

Internet（互联网，或者因特网）则是一个专用名词，它指当前全球最大的、开放的、众多的网络相互连接而成的特定互连网，它采用 TCP/IP 协议族作为通信的规则，且前身是美国的ARPANET。

• 第二阶段特点是建成了三级结构的互联网。主干网、地区网、 校园网。
• 第三阶段是逐渐形成了全球范围的多层次ISP结构的互联网。

1.3 互联网的组成

• 边缘部分 由所有连接在互联网上的主机组成。这部分是用户直接使用的，来进行通信（传送数据、音频或者视频）和资源共享。
• 核心部分 由大量网络和连接这些网络的路由器组成。这部分是为边缘部分提供服务的（提供连通性和交换）。

1.3.1 互联网的边缘部分

处在互联网边缘的部分就是连接在互联网上的所有主机。这些主机又称为端系统，端系统的拥有者可以是个人，也可以是单位（如学校、企业、政府机关等），当然也可以是某一个ISP，边缘部分利用核心部分所提供的服务，使得众多主机之间可以相互通信并交换或者共享信息。

我们先要明确下面的概念。我们说:“主机A和主机B进行通信”，实际上是指:“运行在主机A上的某个程序和运行在主机B上的另一个程序进行通信”。由于“进程”就是“运行着的程序”，因此这也就是指:“主机A的某个进程和主机B上的另一个进程进行通信”。这种比较严密的说法通常可以简称为“计算机之间通信”。

在网络边缘的端系统之间的通信方式通常可划分为两大类:客户服务器方式(C/S 方式)和对等方式(P2P方式)。下面分别对这两种方式进行介绍。

1.客户-服务器方式

这种方式在互联网上是最常用的，也是传统的方式。我们在上网发送电子邮件或在网站上查找资料时，都使用客户-服务器方式(有时写为客户/服务器方式)。

客户(client)和服务器(server)都是指通信中所涉及的两个应用进程。客户-服务器方式所描述的是进程之间服务和被服务的关系。在图1-5中，主机A运行客户程序而主机B运行服务器程序。在这种情况下，A是客户而B是服务器。客户A向服务器B发出请求服务，而服务器B向客户A提供服务。这里最主要的特征就是:

客户是服务请求方，服务器是服务提供方。

服务请求方和服务提供方都要使用网络核心部分所提供的服务。

在实际应用中，客户程序和服务器程序通常还具有以下一些主要特点。

客户程序:

(1)被用户调用后运行，在通信时主动向远地服务器发起通信(请求服务)。因此，客户程序必须知道服务器程序的地址。

(2)不需要特殊的硬件和很复杂的操作系统。

服务器程序:

(1)是一种专门用来提供某种服务的程序，可同时处理多个远地或本地客户的请求。

(2)系统启动后即一直不断地运行着，被动地等待并接受来自各地的客户的通信请求。因此，服务器程序不需要知道客户程序的地址。

(3)一般需要有强大的硬件和高级的操作系统支持。

客户与服务器的通信关系建立后，通信可以是双向的，客户和服务器都可发送和接收

2. 对等连接方式

对等连接方式是指两台主机在互相通信时候，并不区分哪一个是服务请求方和哪一个是服务提供方。只要两台主机都运行了对等连接软件他们就可以进行平等的对等连接通信。

1.3.2 网络的核心部分

网络的核心部分是互联网中最复杂的成分，因为网络的核心部分要向网络的边缘部分中大量的主机提供连通性，使得边缘部分的任何一台主机都能与其他的主机进行通信。

网络的核心部分起着特殊作用的是路由器。路由器是实现分组交换的关键构件，其任务是转发收到的分组，这是网络核心部分最重要的功能。为了弄清分组交换，下面先介绍电路交换的基本概念。

1. 电路交换的主要特点

当电话机的数量增多时，就要使用很多彼此连接起来的交换机来完成全网的交换任务。用这样的方法，就构成了覆盖全世界的电信网。

从通信资源的分配角度来看，交换(switching)就是 按照某种方式动态地分配传输线路的资源。在使用电路交换打电话之前，必须先拨号请求建立连接。当被叫用户听到交换机送来的振铃音并摘机后，从主叫端到被叫端就建立了一条连接，也就是一条专用的物理通路。这条连接保证了双方通话时所需的通信资源，而这些资源在双方通信时不会被其他用户占用。此后主叫和被叫双方就能互相通电话。通话完毕挂机后，交换机释放刚才使用的这条专用的物理通路(即把刚才占用的所有通信资源归还给电信网)。这种必须经过“建立连接(占用通信资源)—>通话(一直占用通信资源)—>释放连接(归还通信资源)”三个步骤的交换方式称为电路交换。如果用户在拨号呼叫时电信网的资源已不足以支持这次的呼叫，则主叫用户会听到忙音，表示电信网不接受用户的呼叫，用户必须挂机，等待一段时间后 再重新拨号。

电路交换的一个重要特点就是在通话的全部时间内，通话的两个用户始终占用端到端的通信资源。

当使用电路交换来传送计算机数据的时候，其线路的传输效率很低，这是因为计算机数据是突发式的出现在传输线路上的，因此路线上真正用来传送数据的时间往往不到10%甚至1%已被占用的通信资源在绝大部分时间都是空闲的。例如，当用户阅读冬端屏幕上的信息或用键盘输入和编统一份文件时，或计算机正在进行处理而结果尚未返回宝贵的通信线路资源并未被利用而是被白白浪费了。

2. 分组交换的特点

分组交换则采用存储转发的技术。图1-9 表示把一个报文划分为几个分组以后再进行传输。通常把要发送的整块数据称为一个报文先把较长的报文划分为一个个更小的等长数据段，例如，每个数据段为1024 bit。 在每一个数据段前面，加上一些必要的控制信息组成的首部(header)后，就构成了一个分组(packet)。分组又称为“包”，而分组的首部也可称为“包头”。分组是在互联网中传送的数据单元。分组中的“首部”是非常重要的，正是由于分组的首部包含了诸如目的地址和源地址等重要控制信息，每一个分组才能在互联网中独立地选择传输路径，并被正确地交付到分组传输的终点。

互联网的核心部分是由许多网络和把它们互连起来的路由器组成的，而主机处在互联网的边缘部分。在互联网核心部分的路由器之间一般都用高速链路相连接，而在网络边缘部分的主机接入到核心部分则通常以相对较低速率的链路相连接。

位于网络边缘部分的主机和位于网络核心部分的路由器都是计算机，但它们的作用却很不一样。主机是为用户进行信息处理的，并且可以和其他主机通过网络交换信息。路由器则用来转发分组，即进行分组交换。路由器收到一个分组，先暂时存储一下， 检查其首部，查找转发表，按照首部中的目的地址，找到合适的接口转发出去，把分组交给下一个路由器。这样一步步地(有时会经过几十个不同的路 由器)以存储转发的方式，把分组交付最终的目的主机。各路由器之间必须经常交换彼此掌握的路由信息，以便创建和动态维护路由器中的转发表，使得转发表在整个网络拓扑发生变化时及时更新。

分组交换在传送数据之前不必先占用一条端到端的通信资源，分组在哪段链路上传送才占用那条链路的通信资源。分组到达路由器之后，先暂时存储下来，查找转发表，然后从另一条合适的链路转发出去。分组在传输时候就这样逐段地断续占用通信资源，省去了建立连接和释放连接的开销，因而数据的传输效率更高。

互联网采取了专门的措施，保证了数据的传送有着非常高的可靠性。当网络中的某些节点或链路突然出现故障时候，在各路由器中运行的路由选择协议能够自动找到转发分组的最合适的路径。

电路交换—整 个报文的比特流连续地从源点直达终点，好像在一个管道中传递。

报文交换—整个报文先传送到相邻节点， 全部存储下来后查找转发表，转发到下一个节点。

分组交换—单个分组 (这只是整个报文的一部分) 传送到相邻节点，存储下来后查找转发表，转发到下一个节点。

1.6 计算机网络的性能

1.6.1 计算机网络的性能指标

1. 速率：网络技术中的速率指的是数据传送速率速率的单位是bit/s
2. 带宽: 在计算机网络中表示网络中某通道传送数据的能力，因此网络带宽表示在单位时间内网络中某信道所能通过的“最高数据率”，这种意义的带宽的单位就是数据率的单位bit/s，“是比特每秒”。
3. 吞吐量
4. 时延：发送时延、传播时延、处理时延、排队时延
5. 时延带宽积
6. 往返时间RTT
7. 利用率

1.7 计算机网络的体系结构

1.7.2 协议与划分层次

网络协议三要素：

(1) 语法，即数据与控制信息的结构或格式;

(2)语义，即需要发出何种控制信息，完成何种动作以及做出何种响应;

(3)同步，即事件实现顺序的详细说明。

1.7.3具有五层协议的体系结构

OSI的七层协议体系结构(如图1-16(a)所示)的概念清楚，理论也较完整，但它既复杂又不实用。TCP/P 体系结构则不同，它现在得到了非常广泛的应用。TCP/P 是一个四层的体系结构(如图所示)， 它包含应用层、运输层、网际层和链路层(网络接口层)。用网际层这个名字是强调本层解决不同网络的互连问题。在互联网的标准文档[RFC 1122, STD3]中，体系结构中的底层叫作链路层，但接着又说明了链路层就是媒体接入层。但也有把链路层称为网络接口层的[COME06]或子网层的[PETE12]。从实质上讲，TCP/IP 只有最上面的三层，因为最下面的链路层并没有属于TCP/IP体系的具体协议。链路层所使用的各种局域网标准，并非由IETF而是由IEEE的802委员会下属的各工作组负贵制定的。在讲授计算机网络原理时往往采取另外的办法，即综合OSI和TCPIP的优点，采用如图1-16(c)所示的五层协议的体系结构，这对阐述计算机网络的原理是十分方便的。